锅炉汽包水位自动控制系统.docx
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锅炉汽包水位自动控制系统
第一章绪论
汽包水位是锅炉安全运行的指标之一,锅炉汽包水位的测量、控制和保护系统的合理配置是保证锅炉安全运行的重要措施。
过高的水位会影响汽水分离装置的汽水分离效果,使锅炉出口的饱和蒸汽的湿度增大,含盐量增多,造成过热器和汽轮机通流部分结垢,从而引起过热器管壁超温甚至爆管。
当水位严重过高时,还将使汽轮机产生水冲击,引起破坏性事故。
水位过低,会影响锅炉的水循环安全,造成局部水冷壁管过热,严重缺水时造成锅炉爆炸。
因此,准确测量和保持汽包水位在规定的范围内有其重要意义。
我在本设计中，将通过单片机的控制，使锅炉汽包水位，维持在正常的标准下，在水位超过上限或下限的时候，能够及时报警并采取相应措施。
第二章工作原理与方案论证
2-1
2.1工作原理图2.1所示即为锅炉汽包水位自动控制系统示意图。
当系统受到扰动后，被控变量（液位）发生变化，通过检测仪表得到其测量值h。
在自动控制装置（液位控制器LC）中，将h与设定值h0比较，得到偏差，经过运算后，发出控制信号，这一信号作用于执行器（在此为控制阀，）改变给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值。
这样就完成了所要求的控制任务。
这些自动控制装置和被控工艺对象组成了一个自动控制系统。
2.2方案论证单冲量水位控制系统直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，但这种系统具有严重的弊病：
在蒸汽流量忽然增加时，因给水流量小于蒸发量，水位应当下降。
但是由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位不但不下降，反而迅速上升，产生“虚假水位”现象。
而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动。
所以在负荷变化频繁，锅炉贮水量小的情况下，不能采用单冲量水位控制系统。
双冲量水位控制系统的优点：
能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务，在给水压力比较平稳时采用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的。
双冲量水位控制系统的缺点：
调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，当给水侧扰动时，调节系统等于单冲量调节，因为，如果给水管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。
三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。
相比之下三冲量更具优点，所以我采用三冲量水位控制系统。
控制方法：
我在这里采用性能较好的高性能水位控制器探测水位，用液面专用检测电路SL2429A及时基电路555等组成控制电路，，信号采集后，经ADC0809将模拟信号转换成数字信号后送入89C51，通过软件，实现对锅炉水位的控制及报警.三冲量汽包水位控制系统方框图如下：
图2-2
加法器运算是：
P=C0+C1PC+C2PF
第三章硬件组成及原理
3.1单片机芯片介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。
片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
1、主要性能参数：
·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4K字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写中期·全静态操作：
0Hz——24MHz·三级加密程序存储器·128*8字节内部RAM·32个可编程I/O口线·2个16位定时/计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电式
图3-189C51芯片
2、功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容。
但振荡器停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。
3、引脚功能说明·
：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
·P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。
Flash编程和程序校验期间，P1口接受底8位地址。
·P2口：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。
·P3口：
P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是她的第二功能，见下表
表3-2P3口第二功能功能表
P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/PROG非：
当访问外部程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG非）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作，该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
·PSEN非：
程序储存允许（PSEN非）输出是外部程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN非有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN非信号不出现。
·EA/Vpp：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H——FFFFH），EA端必须得保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
·XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
4、时钟振荡器：
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-5。
图3-3
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使
用石英晶体，我们推荐电容使用30pF+/-10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+/-10F。
用户也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路如下图所示。
这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
5、空闲节电模式：
AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电模式。
这两种方式是控制专用寄存器PCON（即电源中指寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位来实现的。
PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。
IDL是空闲等待方式，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。
如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。
在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。
此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。
空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。
终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许的中断的事件被激活，IDL被硬件清楚，即可中指空闲工作模式，程序会首先响应中断，进入中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RET1指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。
其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。
需要注意的是，当由硬件复位来种植空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口，为了避免可能对端口产生意外写入，即或空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。
6、掉电模式：
在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。
推出掉电模式的唯一方法是硬件复位，
复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不包括RAM中的内容，在
恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间一是振荡器重启动并稳定工作。
7、程序存储器的加密：
AT89C51可使用对芯片上的3个加密位LB1，LB2，LB3进行编程（P）或不编程（U）来得到如下表所示的功能：
表3-4加密位保护功能表
注：
表中的U——表示未编程，P——表示编程
当加密位LB1被编程时，在复位期间，EA端的逻辑电平被采样并所存，如果单片机上电后一直没有复位，则所存起的初始值是一个随机数，且这个随机数会一直到真正复位为止，为单片机能正常工作，被锁存的EA电平值必须与该引脚当前的逻辑电平一致，此外，加密位只能通过整片的方式擦除。
8、Flash闪速存储器的编程：
AT89C51单片机内部有4K字节的FlashPEROM,这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。
编程接口可接受高电压（+12V）或低电压（
）的允许编程信号。
低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。
AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号而后读取芯片内的签名字节获得该信息，见表3-5。
AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片PERROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。
表3-5编程方式
AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片PERROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。
9、编程方式：
编程前，须按表6和图6所示设置好地址，数据及控制信号，编程单元的地址加在P1口和P2口的P2.0——P2.3<11位地址范围为0000H——0FFFH>，数据P0口输入，引脚P2.6,P2.7和P3.6,P3.7的电平设置见表6，PSEN为低电平，RST保持高电平，EA/
引脚是编程电源的输入端，按要求加上编程电源，ALE/PROG引脚输入编程脉冲（负脉冲）。
编程时，可采用4——20MHz的时钟震荡器，AT89C51编程方法如下：
1在地址线上加上要编程单元的地址信号。
2在数据线上加上要写入的数据字节。
3激活相应的控制信号。
4在高电压编程方式时，将EA/
端加上+12V编程电压。
5每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。
改变编程单元的地址和写入的数据，重复1——5步骤，直到全部文件编程结束。
每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。
10、数据查询：
AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束，在一个写周期中，如需读取最后写入的那个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。
写周期完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，此时，可进入下一个字节写周期，写周期开始后，可在任意时刻进行数据查询。
11、Ready/Busy:
字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE变成高电平“H”后P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。
编程结束后，P3.4变为高电平准备就绪状态。
12、程序效验：
如果加密位LB1，LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，采用下图的电路，程序存储器的地址由P1和P2口的P2.0——P2.3输入，数据由P0口读出，P2.6,P2.7和P3.6,P3.7的控制信号见表6，PSEN保持低电平，ALE，EA和RST保持高电平，效验时，P0口必须接上10K左右的上拉电阻。
13、芯片擦除：
利用控制信号的正确组合〈表6〉并保持ALE/PROG引脚10Ms的低电平脉冲宽度即将PEROM阵列（4K字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需要在编程之前进行。
14、读片内签名字节：
AT89C51单片机内有三个签名字节，地址为030H，031H和032H。
用于声明该器件的厂商，型号和编程电压。
读签名字节的过程和单元030H，031H及032H的正常效验相仿，只需将P3.6和P3.7保持低电平，返回值意义如下：
（030H）1EH声明产品由ATMEL公司制造。
（031H）51H声明为AT89C51单片机
（032H）FFH声明12V编程电压
（032H）05H声明为5V编程电压、。
15、编程接口：
表3-6特性表
采用控制信号的正确组合可对FLASH闪速存储阵列中的每一代码字进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后他将自动定时到操作完成。
16、X25043/45可编程看门狗监控EEPROM
（1）特点
※可编程的看门狗定时器
※高可靠性----使用期限：
每字节可写入100，000次
※低
检测
※直至
=1V复位信号有效----数据保存期：
100年
※1MHz时钟速率----ESC保护：
所有引脚2000V
※512*8位串行EEPROM----4字节页方式
※2.7V至5.5V电源电压
※块锁定----保护1/4，1/2或所有EEPROM阵列
※片内偶然性的写保护
----上电/掉电保护电路
----写锁存
----写保护引脚
（2）一般说明
X25043/45把三种常用的功能：
看门狗定时器、电压监控和EEPROM组合在单个封装之内。
这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。
看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护。
当系统故障时，在可选的超时周期之后，X25043/45看门狗将以RESET/RESET信号做出响应。
用户可从三个预置值中选择此周期。
一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。
利用X25043/45低
检测电路，可以保护系统使之免受低电压状况的影响。
当
降到最小
转换点以下时，系统复位。
复位一直确保到
返回且稳定为止。
X25043/45的存储器部分是CMOS的4096位串行EEPROM，它在内部按512*8来组织。
X25043的特点是具有允许简单的三线总线工作的串行外设接口和软件协议。
X25043/45利用了XICOR公司专有的DirectWrite晶片，提供最少为100，000次的使用期限和最小为100年的数据保存期。
（3）引脚说明：
串行输出（SO）：
SO是串行数据输出引脚。
在读周期内，数据在此引脚上输出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。
串行输入（SI）：
SI是串行数据输入引脚。
所有操作码，字节地址以及写入存储器的数据在此引脚上输入。
数据有串行时钟的上升沿锁存。
串行时钟（SCK）：
SCK串行时钟控制用于数据输入和输出的串行总线定时。
操作码，地址或出现在SI引脚上的数据在时钟输入的上升沿锁存，而SO引脚上的数据在时钟输入的下降沿之后发生改变。
芯片选择（CS）：
当CS为高电平时，X25043/45不被选择，SO输出引脚处于高阻状态，除非内部写操作正在进行，否则X25043/45将处于等待电源方式。
CS为低电平使X25043/45能工作。
把它置于工作电源方式.应当注意，在上电之后在任何操作开始之前需要CS从高电平至低电平的跳变。
写保护（WP）：
当WP为低电平时，向X25043/45的非易失性写操作被禁止，但是器件的其他功能仍正常，当WP保持高电平时，所有的功能，包括非易失性写操作都正常。
在CS仍为低电平时,WP变为低电平将中断对X25043/45的写操作。
如果内部写周期已经开始，WP变为低电平将不影响写操作。
复位（RESET,RESET）：
X25043/45的RESET是低电平有效，漏极开路的输出端，只要
下降至低于最小
检测电平，RESET使变为低电平。
它将保持低电平直至
上升到最小
检测电平200ms为止。
如果允许看门狗定时器工作且CS保持高电平或低电平的时间长于看门狗超时周期，那么RESET也变为低电平。
CS的下降沿将复位看门狗定时器。
（4）工作原理
X25043是设计成直接与许多常用微控制器系列的同步串行外设接口（SPI）相接的512*8EEPROM。
X25043包括一个8位指令寄存器。
它可通过SI输入来访问，数据在SCK的上升沿由时钟同步输入。
在整个工作期内，CS必须是低电平且WP输入必须是高电平。
X25043监视总线，如果在预置的时间周期内没有总线的活动，那么它将提供RESET/RESET输出。
下表包括指令及其操作码的列表。
所有的指令，地址与数据都以MSB（最高有效位）在前的方式传送。
读和写指令的3位包含了高地址位A8。
输出的数据在CS变为低电平之后的SCK第一个上升沿被采样。
SCK是静态的，允许用户停止时钟并在其后恢复操作。
表3-7指令集
指令名
指令格式
操作
WREN
00000110
设置写使能锁存器（允许写操作）
WRDI
00000100
复位写使能锁存器（禁止写操作）
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器（块锁存位）
READ
0000A8011
从开始于所选地址的存储器阵列中读出数据
WRITE
0000A8010
把数据写入开始于所选地址的存储器阵列（1至4字节）
（5）写使能锁存器
X25043/45包含一个“写使能”锁存器。
在内部完成写操作之前此锁存器必须被设置（SET）。
WREN指令可设置锁存器而WRDI指令将复位锁存器。
在上电情况下和字节页或状态积存器写周期完成后，读锁存器自动复位。
如果WP变为低电平，锁存器也被复位。
（6）状态寄存器
RDSR指令提供对状态寄存器的访问。
在任何时候都可以读状态寄存器，即使在写周期也如此。
状态寄存器的格式如下：
表3-8状态寄存器格式
7
6
5
4
3
2
1
0
X
X
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
当发出WREN，WRDI和RDSR命令时，不必发送字节地址或数据。
“正在写”位表示X25043/45是否忙于写操作。
当设置为“1”时，写操作正在进行，当设置为“0”时，没有写操作在进行。
在写期间，所有其他位全设置为“1”。
WIP位是只读的。
“写使能锁存”位表示“写使能”锁存器的状态。
当设置为“1”时，锁存器置位，当设置为“0”时，锁存器复位。
WEL位是只读的，它由WREN指令置位，由WRDI指令或成功地完成了写周期后复位。
块保护位表示所使用的保护范围。
这些非易失性的位由发出WRSR指令来设置，允许用户选择四种保护级别之一和对看门狗定时器编程。
X25043/45分为四个1024位的段。
可以锁定一个，两个或全部四个段。
即在选定的段内用户可以读这些段但是不能改变（写）数据。
用BL1和BL0的状态可以控制范围的划分，说明如下：
看门狗定时器位允许如下表所示那样设置看门狗的超时功能，这些非易失性的位由发出WRSR指令来设置。
表3-9表3-10
状态寄存器位
被保护的阵列地址
BL1
BL0
0
0
无
0
1
＄180-＄1FF
1
0
＄100-＄1FF
1
1
＄000-＄1FF
状态寄存器位
看门狗超时周期（典型值）
WD1
WD0
0
0
1.4秒
0
1
600毫秒
1
0
200毫秒
1
1
禁止
（7）时钟和数据定时
在SI线上输入的数据在SCK的上升沿被锁存。
数据由SCK的下降沿输出到SO线上。
（8）读时序
当从EEPROM存储器阵列读数据时，首先把CS拉至低电平以选择芯片。
8位的读指令被发送到X25043/45，其后是8位的字节地址。
读指令的位3包含地址A8。
此位用于选择器件的上半部或下半部。
在发送了读操作码和字节地址之后，在所选定地址的存储器中储存的数据被移出到SO线上。
继续提供时钟脉冲可接着读出在下一地址的存储器中储存的数据。
在每一个数据字节移出之后，字节地址自动增量至下一个较高的地址。
当达到最高地址（＄1FF）时，地址计数器翻转至地址＄000，使得读周期无限地继续下去。
把CS置为高电平可以终止操作。
为了读状态寄存器，首先要把CS线接至低电平以选择芯片
升级会员 